JP6724577B2 - 水晶発振器及び水晶振動子の特性測定方法 - Google Patents

Description

本開示は、水晶発振器及び水晶振動子の特性測定方法に関する。

水晶発振器の発振出力を送信アンテナより温度槽内に電波として発射し、該電波を、温度槽内に配置した受信アンテナより受信し、受信アンテナの出力に基づいて水晶発振器の出力周波数を測定する技術が知られている。

特開平1-186003号公報

しかしながら、上記のような従来技術で得られるような水晶発振器の出力周波数の測定結果に基づいて、水晶振動子が出力停止（例えばクロック停止）に至る前の状態を検出することが難しい。かかる水晶振動子の出力停止は、水晶振動子の異常等に起因して突然生じうる。

そこで、１つの側面では、本発明は、水晶振動子が出力停止に至る前の状態を検出することを目的とする。

一局面によれば、筐体と、水晶片と、対の励振電極と、対の前記励振電極の一方に電気的に接続される送信アンテナと、前記送信アンテナからの電波を受信する受信アンテナと、を含む水晶振動子と、
前記受信アンテナで受信される信号の振幅が基準値以下になった場合に、アラームを発生するアラーム発生部とを含む、水晶発振器が提供される。

水晶振動子が出力停止に至る前の状態を検出することが可能となる。

実施例１による水晶振動子を概略的に示す上面図である。 図１ＡにおけるラインＢ−Ｂに沿った断面図である。 送信アンテナ及び受信アンテナの実装例の説明図である。 水晶振動子及びＩＣを含む水晶発振器の回路構成の一例を概略的に示す図である。 反転増幅器の一例を示す図である。 水晶振動子が正常品である場合の特性の説明図である。 異常に起因した水晶振動子の出力停止の説明図である。 異常品の場合にポイントＡに現れる信号の時系列波形を示す図である。 異常品の場合にポイントＢに現れる信号の時系列波形を示す図である。 異常品の場合にポイントＣに現れる信号の時系列波形を示す図である。 異常品の場合に受信アンテナに現れる信号の時系列波形を示す図である。 実施例１による動作例の説明図である。 実施例２による送信アンテナの実装例の説明図である。 受信アンテナの実装例を概略的に示す断面図である。 受信アンテナの他の実装例を概略的に示す断面図である。 受信アンテナの他の実装例を概略的に示す断面図である。

以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。

［実施例１］
図１Ａは、実施例１による水晶振動子１００を概略的に示す上面図であり、図１Ｂは、図１ＡにおけるラインＢ−Ｂに沿った概略的な断面図である。図２は、送信アンテナ６０及び受信アンテナ６９の実装例の説明図であり、水晶片１０の２面図（上側表面及び下側表面を示す平面図）である。尚、図１Ａでは、内部が見えるように、筐体３０の蓋の図示を省略しており、見えない要素（外部電極４１等）について破線で示されている。また、図１Ａでは、水晶片１０の外形線のみが一点鎖線で示される（送信アンテナ６０及び受信アンテナ６９等は図示されていない）。尚、図１Ａ及び図１Ｂには、水晶振動子１００に加えて、ＩＣ２００についても図示されている。

以下では、水晶片１０の厚み方向（図１Ｂの上下方向）を上下方向とし、筐体３０の蓋のある方を「上側」とする。但し、水晶振動子１００の実装状態の向きは任意である。また、以下では、「外表面」とは、筐体３０における外部に露出する表面を指し、「内表面」とは、筐体３０の内部空間に露出する表面を指す。また、Ｘ方向は、図１Ａに示すように、水晶振動子１００の主振動（厚みすべり振動）方向に対応する方向に定義する。

水晶振動子１００は、水晶片１０と、励振電極２０と、筐体３０と、外部電極４１乃至４４と、送信アンテナ６０と、受信アンテナ６９とを含む。水晶振動子１００は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、表面実装タイプである。

水晶片１０は、例えばＡＴカットされた人工水晶基板であってよい。水晶片１０の外形は、任意であり、実施例１では、矩形であるが、他の形状であってもよい。水晶片１０の支持構造は、任意であるが、例えば水晶片１０は、筐体３０に片持ち構造で支持されてよい。図１Ａ及び図１Ｂに示す例では、水晶片１０は、筐体３０の土手部３１上に片持ち構造で支持される。水晶振動子１００の駆動時、水晶片１０は、Ｘ方向に振動（厚みすべり振動）する。

励振電極２０は、水晶片１０を励振させる。水晶片１０の上側表面に設けられる上側励振電極２１と、水晶片１０の下側表面に設けられる下側励振電極２２とを含む。励振電極２０は、上側励振電極２１と下側励振電極２２との間の電位差により水晶片１０を励振させる。尚、励振電極２０は、金、銀、アルミニウム等により形成されてよい。

励振電極２０は、ＩＣ（Integrated Circuit）２００に電気的に接続される。励振電極２０とＩＣ２００との電気的な接続方法は任意である。図１Ａ乃至図２に示す例では、上側励振電極２１は、水晶片１０の上側表面に形成された導体パターン４７（図２参照）、電導性接着剤４９、筐体３０の下部の内表面に形成された導体パターン４７１、及びワイヤ４７３を介して、ＩＣ２００に電気的に接続される。また、下側励振電極２２は、水晶片１０の下側表面に形成された導体パターン４８（図２参照）、電導性接着剤４９Ｂ、筐体３０の下部の内表面に形成された導体パターン４８１、及びワイヤ４８３を介して、ＩＣ２００に電気的に接続される。尚、ワイヤ４７３，４８３（後述のワイヤ４９３等も同様）は、ワイヤボンディングにより形成されてよい。尚、電導性接着剤４９，４９Ｂ（後述の電導性接着剤４９Ａも同様）は、水晶片１０の縁部（片持ち支持される側の縁部）に設けられてよい。

筐体３０は、水晶片１０を収容する。筐体３０は、例えばセラミック材料により形成される。この場合、筐体３０は、例えばセラミック材料の層を積層して形成されるセラミックパッケージであってよい。筐体３０は、蓋３４（図１Ｂ等参照）を含み、内部空間（キャビティ）に水晶片１０を気密に封入する。例えば、筐体３０の内部空間は真空、又は、乾燥窒素で満たされ、蓋３４で密封される。尚、蓋３４は、金属板やセラミック板であってよい。

外部電極４１乃至４４は、筐体３０に設けられる。図１Ａ及び図１Ｂに示す例では、外部電極４１乃至４４は、筐体３０の下部の外表面に設けられる。外部電極４１乃至４４は、ＩＣ２００に電気的に接続されてよい。外部電極４１乃至４４とＩＣ２００との電気的な接続方法は任意である。図１Ａ及び図１Ｂに示す例では、外部電極４１は、筐体３０の下部の外表面に形成された導体パターン４１１、筐体３０に形成されたビア４１２、及びワイヤ４１３を介して、ＩＣ２００に電気的に接続される。また、外部電極４４は、同様に、筐体３０の下部の外表面に形成された導体パターン４４１、筐体３０に形成されたビア４４２、及びワイヤ４４３を介して、ＩＣ２００に電気的に接続される。図示を省略したが、外部電極４２，４３とＩＣ２００との間も同様に導体パターン等を介して電気的に接続されてよい。

外部電極４１乃至４４は、筐体３０の外部の装置等に電気的に接続されてよい。即ち、外部電極４１乃至４４は、ＩＣ２００及び外部の装置に電気的に接続されることで、ＩＣ２００を外部の装置等に電気的に接続する。図１Ａ及び図１Ｂに示す例では、外部電極４１、４４は、ＩＣ２００のアラーム出力端子２２２及びクロック出力端子２２０（図３参照）から各信号を取り出すために利用されてよい。また、図１Ａ及び図１Ｂに示す例において、外部電極４２、４３は、ＩＣ２００をグランド及び電源（共に図示せず）に電気的に接続するために利用されてよい（配線の図示は省略）。

送信アンテナ６０及び受信アンテナ６９は、線状のアンテナパターンにより形成されてよい。送信アンテナ６０は、水晶振動子１００の出力波形に対応する電波を送信する。受信アンテナ６９は、送信アンテナ６０から送信された電波を受信する。送信アンテナ６０及び受信アンテナ６９は、ＩＣ２００にそれぞれ電気的に接続される。送信アンテナ６０及び受信アンテナ６９とＩＣ２００との電気的な接続方法は任意である。送信アンテナ６０及び受信アンテナ６９とＩＣ２００との電気的な接続は、例えば、ワイヤボンディング等により実現されてもよい。

図１Ａ乃至図２に示す例では、送信アンテナ６０及び受信アンテナ６９は、水晶片１０の下側表面にそれぞれ形成される。送信アンテナ６０及び受信アンテナ６９の各パターンは、一端が開放端を形成する。送信アンテナ６０及び受信アンテナ６９の各パターンの他端は、電極６０１，６９１にそれぞれ電気的に接続される。電極６０１は、下側励振電極２２に係る電極と共用である。従って、送信アンテナ６０は、下側励振電極２２と共に、電極６０１、電導性接着剤４９Ｂ、導体パターン４８１、及びワイヤ４８３を介して、ＩＣ２００に電気的に接続される。但し、電極６０１は、下側励振電極２２に係る電極と別に形成されてもよい。電極６９１は、図１Ａに示すように、電導性接着剤４９Ａ、筐体３０の下部の内表面に形成された導体パターン４９１、及びワイヤ４９３を介して、ＩＣ２００に電気的に接続される。従って、受信アンテナ６９は、電極６９１、電導性接着剤４９Ａ、導体パターン４９１、及びワイヤ４９３を介して、ＩＣ２００に電気的に接続される。

尚、図１Ａ乃至図２に示す例では、送信アンテナ６０及び受信アンテナ６９は、水晶片１０の下側表面の双方に形成されるが、水晶片１０の上側表面に形成されてもよい。

ＩＣ２００は、上述のように、水晶振動子１００の励振電極２０、送信アンテナ６０及び受信アンテナ６９に電気的に接続される。ＩＣ２００は、水晶振動子１００と共に水晶発振器の一例を形成する。図１Ａ及び図１Ｂに示す例では、ＩＣ２００は、筐体３０の下部の内表面上に設けられる。即ち、ＩＣ２００は、筐体３０の内部空間内に設けられる。但し、変形例では、ＩＣ２００は、筐体３０の外部に設けられてもよい。この場合、例えば、励振電極２０、送信アンテナ６０及び受信アンテナ６９は、外部電極４１乃至４４にそれぞれ電気的に接続され、外部電極４１乃至４４にＩＣ２００が電気的に接続されてもよい。

尚、図１Ａ及び図１Ｂに示す例において、ＩＣ２００は、下面にバンプ（端子）を備えてよい。この場合、ＩＣ２００は、ワイヤ４１３等に代えて、バンプを介してビア４１２等に電気的に接続されてもよい。

図３は、水晶振動子１００及びＩＣ２００の回路構成の一例を概略的に示す図である。尚、図３においては、ＩＣ２００に関して、端子内部の容量、実装基板の配線パターンの浮遊容量、水晶振動子１００に流れる電流（図３の矢印i参照）を制限する抵抗等は図示が省略されている。

図３に示す例では、ＩＣ２００の入力端子２０２及び出力端子２０４に水晶振動子１００の上側励振電極２１及び下側励振電極２２がそれぞれ接続される。但し、ＩＣ２００の入力端子２０２及び出力端子２０４に水晶振動子１００の下側励振電極２２及び上側励振電極２１がそれぞれ接続されてもよい。水晶振動子１００は、ＩＣ２００と協動して、任意の機器（例えば基地局装置や中継局装置等のような通信制御装置）で用いられるクロック（基準クロック）を生成する。

水晶振動子１００には、マッチングコンデンサ３００が電気的に接続される。具体的には、第１コンデンサ３０２が水晶振動子１００の上側励振電極２１とグランドの間に電気的に接続され、第２コンデンサ３０４が水晶振動子１００の下側励振電極２２とグランドの間に電気的に接続される。マッチングコンデンサ３００は、水晶振動子１００からＩＣ２００の回路を含むすべての容量合計（負荷容量値）を負荷とした時に水晶振動子１００の出力周波数（初期値）が所望値（設計値）になるよう調整（マッチング調整）するために設けられる。尚、図３において、点線で囲まれた範囲が発振回路を形成する。

ＩＣ２００には、上述のように、送信アンテナ６０及び受信アンテナ６９が電気的に接続される。送信アンテナ６０は、水晶振動子１００の発振回路内の任意のポイントに電気的に接続される。実施例１では、一例として、上述のように、送信アンテナ６０は、水晶振動子１００の発振回路内の反転増幅器２０６と出力バッファ２０８との間（図３のポイントＢ参照）に電気的に接続される。図３に示す例では、送信アンテナ６０は、下側励振電極２２及びポイントＢの間のポイントＰと、第２コンデンサ３０４との間に電気的に接続されている。

送信アンテナ６０は、水晶振動子１００の出力波形に対応する電波を送信する。即ち、水晶振動子１００が、ある周波数で発振している状態では、その周波数で送信アンテナ６０に電界（定在波による電波）が発生する。即ち、水晶振動子１００が発振状態にあるとき、送信アンテナ６０には、水晶振動子１００の出力に係る電流ｉ（図３参照）に基づいて定在波が形成される。この結果、送信アンテナ６０から電波が送信（放射）される。従って、送信アンテナ６０から送信される電波は、水晶振動子１００の発振レベルに応じた振幅で振動する。受信アンテナ６９は、送信アンテナ６０から送信される電波を受信する。従って、送信アンテナ６０で発生される電波の受信信号の振幅は、水晶振動子１００の発振レベルの低下に伴い低下する（図７Ｄを参照して後述）。

尚、図１Ａ乃至図３に示す例では、送信アンテナ６０からの電波の強度を高めるために、送信アンテナ６０は、水晶振動子１００の出力側に電気的に接続される。これは、上述のように、水晶振動子１００の入力側と出力側においては、信号が反転増幅器２０６で増幅される関係上、水晶振動子１００の出力側の方が信号の振幅は大きいためである。しかしながら、送信アンテナ６０は、水晶振動子１００の入力側に電気的に接続されてもよい。

ＩＣ２００は、反転増幅器２０６と、出力バッファ（バッファ回路）２０８と、アラーム発出回路２５０（アラーム発生部の一例）と、利得制御回路２６０（利得制御部の一例）と、基準電圧発生部２７０とを含む。

反転増幅器２０６は、上述のように、水晶振動子１００の出力（上側励振電極２１から入力端子２０２に入力された信号）を反転増幅する。即ち、上側励振電極２１から入力端子２０２に入力された信号は、反転増幅器２０６で反転増幅される。反転増幅された信号は、出力バッファ２０８に入力されると共に、出力端子２０４を介して下側励振電極２２に入力される。

反転増幅器２０６は、利得（ゲイン）が可変である。尚、反転増幅器２０６は、自動利得制御（AGC：Automatic Gain Control）で用いられるタイプの反転増幅器（例えば可変抵抗や、電界効果トランジスタを可変抵抗素子として用いるタイプ）であってもよい。但し、実施例１では、以下で説明するように、出力が常に一定になるように反転増幅器２０６の利得を調整する制御（即ち自動利得制御）は実行されない。即ち、自動利得制御回路は設けられない。これにより、自動利得制御のための回路構成が不要となり、簡易な構成を実現できると共に、省電を図ることができる。

実施例１では、一例として、反転増幅器２０６は、図４に示すように、オペアンプＯＰと、抵抗Ｒ２（第１抵抗の一例）及び抵抗Ｒ３（第２抵抗の一例）とを含む。抵抗Ｒ２、Ｒ３は、オペアンプＯＰの出力を反転端子に戻すライン上に並列に設けられる。反転増幅器２０６は、更にスイッチＳＷを含む。スイッチＳＷは、オペアンプＯＰの反転端子が抵抗Ｒ２を介してオペアンプＯＰの出力端子に電気的に接続される第１状態と、オペアンプＯＰの反転端子が抵抗Ｒ３を介してオペアンプＯＰの出力端子に電気的に接続される第２状態とを切り替え可能とする。スイッチＳＷの状態は、利得制御回路２６０により制御される。第１状態では、入力電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏとの関係は、Ｖｏ＝Ｒ２／Ｒ１×Ｖｉであり、Ｒ２／Ｒ１が増幅率となる。第２状態では、入力電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏとの関係は、Ｖｏ＝Ｒ３／Ｒ１×Ｖｉであり、Ｒ３／Ｒ１が増幅率となる。例えばＲ３＞Ｒ２であるとすると、Ｒ３／Ｒ１＞Ｒ２／Ｒ１であるので、第２状態の方が第１状態よりも増幅率（即ち反転増幅器２０６の利得）が高くなる。図４に示す例によれば、可変抵抗等を用いるタイプの反転増幅器に比べて、簡易な構成で利得が可変な反転増幅器２０６を実現できる。

出力バッファ２０８は、例えばCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）により形成されてよい。出力バッファ２０８は、入力信号（反転増幅器２０６で反転増幅された信号）に基づいて、水晶振動子１００の発振状態を表す信号（パルス信号）を生成する。出力バッファ２０８は、入力信号のレベル（以下、「入力レベル」とも称する）が第１閾値を超えると“電圧ＶＯＨ”を出力し、入力レベルが第２閾値を下回ると“電圧ＶＯＬ”を出力する。尚、第１閾値及び第２閾値は、出力バッファ２０８のCMOSを形成するP型MOSとN型MOSがオン/オフする電圧値（閾値レベル）に依存し、同一に設定されてもよいし、異なるように設定されてもよい。このようにして、図３に示す例では、水晶振動子１００の出力は、水晶振動子１００から直接的に出力されずに、出力バッファ２０８を経由してクロック出力端子２２０に出力される。

アラーム発出回路２５０は、水晶振動子１００が出力停止に至る前の状態（以下、「出力停止前状態」と称する）を検出する機能（以下、「出力停止前状態検出機能」と称する）を有する。尚、水晶振動子１００が出力停止に至るとは、発振回路が出力停止に至ることを意味する。発振回路が出力停止に至るとは、後述のように、出力バッファ２０８から出力のレベルが変化しない状態（水晶振動子１００の出力周波数に応じた周期で“ＶＯＨ”及び“ＶＯＬ”間で切り替わる正常な出力が得られない状態）への遷移を意味する。

アラーム発出回路２５０は、受信アンテナ６９に電気的に接続される。アラーム発出回路２５０は、受信アンテナ６９で受信される信号を監視することで、出力停止前状態検出機能を実現する。アラーム発出回路２５０は、受信アンテナ６９で受信される信号の振幅が所定の基準値β以下となった場合に、アラームを発生する。信号の振幅とは、直近の所定周期分の信号のレベルの最大値と平均値との差や、直近の所定周期分の信号のレベルの平均値と最小値との差や、直近の所定周期分の信号のレベルの最大値と最小値との差の半分等に基づくものであってもよい。尚、アラーム発出回路２５０は、直近の所定周期分の信号のレベルの最大値を、振幅として用いてもよい。これは、例えば直近の１周期分の信号のレベルの最大値は、同周期における同信号の振幅と相関するためである。或いは、同様の観点から、アラーム発出回路２５０は、直近の所定周期分の信号の振幅値の積算値を、振幅として用いてもよい。

基準値βは、出力バッファ２０８への入力の振幅が入力下限値となるときの、受信アンテナ６９で受信される信号の振幅Ｂｍ、よりも大きい値に設定される。例えば、基準値βは、β＝１．１×Ｂｍ又はβ＞１．１×Ｂｍであってよい。出力バッファ２０８の入力下限値とは、出力バッファ２０８から出力が得られるときの出力バッファ２０８に対する入力レベル（例えば入力電圧の大きさ）の下限値に対応する。即ち、出力バッファ２０８への入力が振動していても、出力バッファ２０８への入力のレベルが、ある下限値を下回る状態では、CMOSがオン／オフせず、出力バッファ２０８から有意な出力（クロック源として機能できる出力）が得られなくなる。出力バッファ２０８の入力下限値とは、該下限値に対応する。尚、基準値βは、出力バッファ２０８の入力下限値の設計値に基づいて一律に設定されてもよい。或いは、基準値βは、出力バッファ２０８の個体毎に異なり得る入力下限値等に対応して、個体毎の実測値に基づいて個体別に設定されてもよい。この場合、例えば、基準値βは、水晶振動子１００及びＩＣ２００を含む製品の出荷時の実測値（例えば振幅Ｂｍの実測値）に基づいて設定されてもよい。

アラーム発出回路２５０が発生するアラームは、アラーム出力端子２２２を介して外部に出力されると共に、利得制御回路２６０に入力される。尚、アラーム出力端子２２２を介して出力されるアラームは、例えば、外部のユーザ装置（図示せず）に送信されてよい。水晶振動子１００の出力が通信制御装置のクロックとして機能する場合、ユーザ装置は、例えば、基地局などを管理する中央管理サーバであってよい。この場合、アラームは、何らかの音声や表示による警報出力を引き起こす信号であってもよいし、現在の発振レベルの低下状態を表す指標値（例えば受信アンテナ６９で受信される信号の振幅の現在値）の情報を含んでもよい。かかる警報出力を受けて、例えば通信事業者であるユーザは、アラームが発生した水晶振動子１００（出力停止前状態が検出された水晶振動子１００）を実装する通信制御装置の修理・交換作業を計画できる。

利得制御回路２６０は、アラームの発生と同期して反転増幅器２０６の利得を上げる機能を有する。即ち、利得制御回路２６０は、アラーム発出回路２５０からのアラームが入力されると、反転増幅器２０６の利得を第１の値から第２の値へと上げる。第２の値は、第１の値よりも有意に大きく、例えば可変領域の最大値である。これにより、反転増幅器２０６からの出力の振幅が増加し、出力バッファ２０８への入力の振幅を高めることができる。図４に示す例では、利得制御回路２６０は、アラーム発出回路２５０からのアラームが入力されると、スイッチＳＷを制御し、第１状態から第２状態に切り替える（図４の矢印参照）。これにより、反転増幅器２０６の利得がＲ２／Ｒ１からＲ３／Ｒ１に増加する。

利得制御回路２６０は、アラーム発出回路２５０からのアラームが入力されるまでは、反転増幅器２０６の利得を第１の値に維持し、アラームが入力されると、反転増幅器２０６の利得を第２の値に変更し、以後、反転増幅器２０６の利得を第２の値で維持する。この場合、第１の値（Ｒ２／Ｒ１）＜第２の値（Ｒ３／Ｒ１）である。従って、アラーム発出回路２５０からのアラームが入力されるまでは、省電を図りつつ、アラーム発出回路２５０からのアラームが入力された以後は、反転増幅器２０６の利得を増加した状態を維持できる。

基準電圧発生部２７０は、アラーム発出回路２５０で用いられる基準値βに対応する電圧を発生する。例えば、基準電圧発生部２７０で発生する電圧は、アラーム発出回路２５０のコンパレータ（図示せず）に入力されてよい。

次に、図５乃至図７Ｄを参照して、実施例１による効果を説明する。以下では、利得制御回路２６０を備えていない構成である比較例との対比で実施例１による効果を説明する場合がある。

図５は、水晶振動子１００が正常品である場合の特性の説明図である。

図５には、上側に、横軸に時間を取り、縦軸に水晶振動子１００の出力周波数を取り、水晶振動子１００の出力周波数の時間変化特性を示す周波数特性図が示される。周波数特性図には、水晶振動子１００の出力周波数に対する周波数規格下限値が示されると共に、正常品に係る時間変化特性Ｆ１が示される。

図５には、下側に、横軸に時間を取り、縦軸に、図３に示す発振回路内の各ポイントＡ，Ｂ，Ｃにおいて現れる信号の振幅を取り、各ポイントＡ，Ｂ，Ｃでの振幅の時間変化特性Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ、Ｃ１ｃを示す出力変化特性図が示される。出力変化特性図には、出力バッファ２０８の入力下限値が併せて示される。

正常品の場合、図５の上側にて時間変化特性Ｆ１に示すように、エージング（経年劣化）に起因して、水晶振動子１００の出力周波数は、時間の指数的な増加に比例して初期値ｆ０から低下していく。しかしながら、正常品の場合、水晶振動子１００の出力周波数は、設計寿命（例えば６年）前に周波数規格下限値を下回ることはない。尚、周波数変化の主たる原因は水晶振動子１００の励振電極２０の酸化である。エージングによる周波数変化量は、製造プロセスの管理等である程度コントロールできる。設計通りであれば、図５に示すように、設計寿命前に水晶振動子１００の出力周波数が周波数規格下限値を割ることはない。

また、正常品の場合、図５の下側にて時間変化特性Ｃ１ｂに示すように、エージングに起因して、図３に示す発振回路内のポイントＢにおいて現れる信号の振幅は低下する。周波数変化の場合と同様に、振幅変化の主たる原因は水晶振動子１００の励振電極２０の酸化による質量増加である。しかしながら、正常品の場合、設計寿命前に、図３に示すポイントＢにおいて現れる信号の振幅が、出力バッファ２０８の入力下限値を下回らない。即ち、設計通りであれば、設計寿命前に出力バッファ２０８への入力の振幅が入力下限値を割ることはない。従って、正常品の場合、図５の下側にて時間変化特性Ｃ１ｃに示すように、図３に示すポイントＣにおいて現れる信号の振幅は変化せず、一定である。即ち、正常品の場合、設計寿命に至るまで、図３に示すポイントＣにおいて、水晶振動子１００の出力周波数に応じた周期で“ＶＯＨ”及び“ＶＯＬ”間で切り替わる出力（即ち正常な出力）が得られる。

図６乃至図７Ｄは、異常に起因した水晶振動子１００の出力停止の説明図である。図６において、ｔ１は、水晶振動子１００の作動開始時点を表し、ｔ２は、水晶振動子１００が出力停止に至る直前の時点を表し、ｔ３は、水晶振動子１００が出力停止に至った時点を表し、ｔ４は、設計寿命の時点を表す。

図６には、上側に、横軸に時間を取り、縦軸に水晶振動子１００の出力周波数を取り、水晶振動子１００の出力周波数の時間変化特性を示す周波数特性図が示される。周波数特性図には、水晶振動子１００の出力周波数に対する周波数規格下限値が示されると共に、正常品に係る時間変化特性Ｆ１（点線）と、設計寿命前に出力停止に至る異常品に係る時間変化特性Ｆ２（実線）とが示される。異常品に係る時間変化特性Ｆ２は、一例として、作動開始から約１００日後に出力停止に至る場合を示す。

図６には、下側に、横軸に時間を取り、縦軸に振幅を取り、図３に示す各ポイントＡ，Ｂ，Ｃにおいて現れる信号の振幅の時間変化特性（異常品に係る同特性）Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃを示す出力変化特性図が示される。出力変化特性図には、出力バッファ２０８の入力下限値が併せて示されると共に、正常品に係る時間変化特性Ｃ１ｃ（点線）が併せて示される。

図７Ａ乃至図７Ｄは、異常品の場合に現れる信号の時系列波形を示す図である。図７Ａは、図３に示すポイントＡにおいて現れる信号の波形を示す。図７Ｂは、図３に示すポイントＢにおいて現れる信号の波形を示す。図７Ｃは、図３に示すポイントＣにおいて現れる信号の波形を示す。図７Ｄは、受信アンテナ６９に現れる信号の波形を示す。図７Ａ乃至図７Ｄには、上から順に、時点t１から一定時間内、時点ｔ２前の一定時間内、及び時点ｔ３から一定時間内における各波形が示される。図７Ｂには、入力下限値と同じ大きさの正の電圧値Ｖ_ｍｉｎと、入力下限値と同じ大きさの負の電圧値Ｖ_ｍｉｎとが併せて示される。また、図７Ｃには、出力ＶＯＨが超えるべき電圧レベル“Ｈｉｇｈ”と、出力ＶＯＬが下回るべき電圧レベル“Ｌｏｗ”とが併せて示される。また、図７Ｄには、基準値βが併せて示される。

ここで、何らかの製造プロセスの異常や汚染物質の混入などにより水晶振動子１００の出力周波数および発振レベルの低下速度が著しくなる場合がある。かかる場合、設計寿命前に出力停止に至る異常品が発生しうる。

具体的には、異常品の場合、図６の上側にて時間変化特性Ｆ２に示すように、水晶振動子１００の出力周波数は、正常品におけるエージングに起因した低下速度よりも有意に速い速度で初期値ｆ０から低下していく。水晶振動子１００の出力がスタンドアロンシステムのクロックとして利用される場合、時刻ｔ２までは、周波数低下が進んだとしても、若干演算スピードが落ちる程度で許容できる可能性もある。しかしながら、時刻ｔ３では、いきなり出力停止となりシステム全体がダウンすることになる。

より具体的には、異常品の場合、図６の下側にて時間変化特性Ｃ２ａ及び図７Ａに示すように、図３に示す発振回路内のポイントＡにおいて現れる信号の振幅は、正常品におけるエージングに起因した低下量よりも有意に大きい低下量で低下する。これに伴い、異常品の場合、図６の下側にて時間変化特性Ｃ２ｂ及び図７Ｂに示すように、図３に示す発振回路内のポイントＢにおいて現れる信号の振幅は、正常品におけるエージングに起因した低下量よりも有意に大きい低下量で低下する。従って、異常品の場合、設計寿命前に、図３に示すポイントＢにおいて現れる信号の振幅が、出力バッファ２０８の入力下限値を下回りうる。

この点、比較例では、図６に示す異常品の場合、図６の下側にて時間変化特性Ｃ２ｂ及び図７Ｂに示すように、時刻ｔ３で、図３に示す発振回路内のポイントＢにおいて現れる信号の振幅が、出力バッファ２０８の入力下限値を下回る。このように、図６に示す異常品の場合、図３に示す発振回路内のポイントＢにおいて現れる信号の振幅、即ち、出力バッファ２０８への入力の振幅は、設計寿命前に入力下限値を割る。出力バッファ２０８への入力の振幅が出力バッファ２０８の入力下限値を下回ると、図６の下側にて時間変化特性Ｃ２ｃ及び図７Ｃに示すように、図３に示すポイントＣにおいて現れる信号のレベルが一定値０になる。即ち、設計寿命前に、水晶振動子１００が発振状態のまま（図７Ａ参照）出力停止に至る。

ところで、水晶振動子１００の異常は、異常な周波数変化を起こす場合が多い。水晶振動子１００を含む発振回路は、それ自身クロック発生源であることから、水晶振動子１００の周波数変化を直接的に検知するには、より精度の高い基準クロックが必要となりうる。従って、簡易的な方法で水晶振動子１００の周波数の異常（例えば図６の時間変化特性Ｆ２のような特性）を検知することは困難である。

この点、汚染物質の混入などに起因した水晶振動子１００の周波数変化は、図５及び図６に示すように、水晶振動子１００の発振レベルの変化（低下）に相関する。これは、例えば汚染物質の混入などに起因した励振電極２０の質量増加の場合、質量増加に起因して水晶振動子１００の出力周波数及び発振レベルが共に低下するためである。従って、水晶振動子１００の周波数変化を直接的に検知できない場合でも、水晶振動子１００の発振レベルを監視することで、水晶振動子１００の周波数変化を間接的に検知できうる。

他方、水晶振動子１００の出力は、上述のように、水晶振動子１００を含む発振回路から直接出力することはなく、出力バッファ２０８を経由する。出力バッファ２０８は、図６等に示すように、異常品の場合であっても、入力の振幅が出力バッファ２０８の入力下限値を超えている限り、出力バッファ２０８の出力は、出力周波数に対応する周波数で出力ＶＯＨ及び出力ＶＯＬ間を振動する。出力ＶＯＨ及び出力ＶＯＬの各レベルは、異常品の場合であっても、入力の振幅が出力バッファ２０８の入力下限値を超えている限り、略一定である。従って、出力バッファ２０８からの出力に基づいて、発振回路（例えば水晶振動子１００）の異常を直接読み取ることができない。そのため、水晶振動子１００を含む発振回路の故障は、その出力が規格（例えば周波数規格下限値）を割る、もしくは出力停止に至って初めて判ることが多い。尚、水晶振動子１００を含む発振回路の故障の主な原因は、内蔵している水晶振動子１００に起因することが多い。

このように、水晶振動子１００の異常は、水晶振動子１００が出力停止に至って初めて判る場合が多い。これは、水晶振動子１００の修理・交換タイミングが突然到来することを意味し、水晶振動子１００を含む発振回路からの出力をクロック源とするシステムのユーザにとっては不都合が大きい。特に、高い信頼性が求められるシステムに水晶振動子１００が用いられている場合は、システムが突然ダウンしてしまうときの弊害が大きくなり得る。また、人里離れた山中等に設置されている中継局装置などに水晶振動子１００が用いられている場合は、修理・交換作業までに時間のかかる場合もあり、システムのダウン期間が長くなり得る。かかる不都合は、冗長系を設けることで、ある程度回避できるが、冗長系を設けることはコストである。

この点、実施例１によれば、上述のように、アラーム発出回路２５０は、受信アンテナ６９で得られる信号の振幅が基準値β以下となった場合に、アラームを発生する。基準値βは、上述のように、出力バッファ２０８への入力の振幅が入力下限値となるときの、信号の振幅Ｂｍ、よりも大きい値に設定される。従って、実施例１によれば、図３に示す発振回路内のポイントＢにおいて現れる信号の振幅が出力バッファ２０８の入力下限値を下回る前に、アラーム発出回路２５０によりアラームを発生できる。この結果、水晶振動子１００を含む発振回路からの出力をクロック源とするシステムのユーザに、アラームによって修理・交換の必要性を事前に知らせることができる。即ち、水晶振動子１００が出力停止に至る前に、ユーザに、アラームによって修理・交換の必要性を事前に知らせることができる。この結果、ユーザが適切な修理・交換作業を計画することで、システムが突然ダウンしてしまう事態を回避することが可能となる。

また、実施例１によれば、上述のように、利得制御回路２６０は、アラームの発生と同期して反転増幅器２０６の利得を上げる。反転増幅器２０６の利得が上げられると、反転増幅器２０６からの出力の振幅（出力バッファ２０８への入力の振幅）が増加する。従って、実施例１によれば、アラームの発生と同期して、出力バッファ２０８への入力の振幅を増加でき、その結果、水晶振動子１００が出力停止に至るまでの期間を延長できる。即ち、実施例１によれば、異常品である場合でも、アラームの発生に応答して、水晶振動子１００が出力停止に至るまでの期間を延長できる。この結果、ユーザは、適切な修理・交換作業を実行するための必要な時間を確保しやすくなる。かかる効果は、特に、人里離れた山中等に設置されている中継局装置などに水晶振動子１００が用いられている場合に有用となる。かかる場合は、修理・交換作業までに時間のかかる場合が多いためである。

また、上述した実施例１では、発振状態の水晶振動子１００の出力を、送信アンテナ６０及び受信アンテナ６９を介して監視できるので、発振回路から独立した監視系を形成できる。従って、実施例１によれば、発振回路に影響しない態様で、発振状態の水晶振動子１００の出力を監視できる。

図８は、実施例１による動作例の説明図である。図８において、ｔ１は、水晶振動子１００の作動開始時点を表し、ｔ５は、出力停止前状態の検出時点を表し、ｔ６は、実施例１において水晶振動子１００が出力停止に至った時点を表し、ｔ４は、設計寿命の時点を表す。また、図８には、対比のため、図６の場合における出力停止時点ｔ３が示される。図８には、水晶振動子１００が出力停止に至るまで、水晶振動子１００の修理・交換がなされない場合が示される。

図８には、前出の図６と同様、上側に、横軸に時間を取り、縦軸に水晶振動子１００の出力周波数を取り、水晶振動子１００の出力周波数の時間変化特性を示す周波数特性図が示される。周波数特性図には、水晶振動子１００の出力周波数に対する周波数規格下限値が示されると共に、正常品に係る時間変化特性Ｆ１（点線）と、設計寿命前に出力停止に至る異常品に係る時間変化特性Ｆ３（実線）とが示される。図８での異常品は、前出の図６と同様の異常品であるとする。

図８には、前出の図６と同様、下側に、横軸に時間を取り、縦軸に振幅を取り、時間変化特性（異常品に係る同特性）Ｃ３ａ、Ｃ３ｂ、Ｃ３ｃ、及びＣ３ｄを示す出力変化特性図が示される。時間変化特性Ｃ３ｄは、受信アンテナ６９に現れる信号の振幅の時間変化特性（異常品に係る同特性）である。出力変化特性図には、出力バッファ２０８の入力下限値及び基準値βが併せて示されると共に、正常品に係る時間変化特性Ｃ１ｃ（点線）が併せて示される。

異常品の場合、図８の上側にて時間変化特性Ｆ３に示すように、前出の図６と同様、水晶振動子１００の出力周波数は、正常品におけるエージングに起因した低下速度よりも有意に速い速度で初期値ｆ０から低下していく。しかしながら、実施例１では、上述のように、利得制御回路２６０が機能することで、前出の図６とは異なり、時刻ｔ３で出力停止となりシステム全体がダウンすることは防止される。即ち、異常品の場合であっても、図８の上側にて時間変化特性Ｆ３に示すように、時刻ｔ３よりも後の時刻ｔ６まで、システム全体がダウンするタイミングを遅らせることができる。尚、図８に示す例では、水晶振動子１００の出力周波数が周波数規格下限値を下回るタイミングは、システム全体がダウンするタイミング（即ちポイントＣにおいて現れる信号のレベルが一定値０になるタイミング）と同じであるが、これに限られない。但し、好ましくは、水晶振動子１００の出力周波数が周波数規格下限値を下回るタイミングは、システム全体がダウンするタイミングよりも前に到来しない。

また、異常品の場合、図８の下側にて時間変化特性Ｃ３ａに示すように、図３に示す発振回路内のポイントＡにおいて現れる信号の振幅は、正常品におけるエージングに起因した低下量よりも有意に大きい低下量で低下する。これに伴い、異常品の場合、図８の下側にて時間変化特性Ｃ３ｂに示すように、図３に示す発振回路内のポイントＢにおいて現れる信号の振幅は、正常品におけるエージングに起因した低下量よりも有意に大きい低下量で低下する。従って、異常品の場合、前出の図６と同様、設計寿命前に、図３に示すポイントＢにおいて現れる信号の振幅が、出力バッファ２０８の入力下限値を下回りうる。

この点、実施例１によれば、図８の下側にて矢印で模式的に示すように、受信アンテナ６９に現れる信号の振幅が基準値β以下となるタイミングである時刻ｔ５で、アラームが発生される。これに伴い、反転増幅器２０６の利得が上げられ、図８の下側にて時間変化特性Ｃ３ｂに示すように、図３に示す発振回路内のポイントＢにおいて現れる信号の振幅（出力バッファ２０８への入力の振幅）が増加する。尚、これに伴い、水晶振動子１００の発振レベルが増加し、図８の下側にて時間変化特性Ｃ３ａに示すように、図３に示す発振回路内のポイントＡにおいて現れる信号の振幅が増加する。このようにして、時刻ｔ５にて、図３に示す発振回路内のポイントＢにおいて現れる信号の振幅が増加する。しかし、異常品であるが故に、その後も、図３に示す発振回路内のポイントＢにおいて現れる信号の振幅は、正常品におけるエージングに起因した低下量よりも有意に大きい低下量で低下し続ける。そして、設計寿命前に、図３に示すポイントＢにおいて現れる信号の振幅が、出力バッファ２０８の入力下限値を下回りうる。図８に示す異常品の場合、図８の下側にて時間変化特性Ｃ３ｂに示すように、時刻ｔ６で、図３に示す発振回路内のポイントＢにおいて現れる信号の振幅が、出力バッファ２０８の入力下限値を下回る。このように、図８に示す異常品の場合、図３に示す発振回路内のポイントＢにおいて現れる信号の振幅、即ち、出力バッファ２０８への入力の振幅は、設計寿命前に入力下限値を割り、設計寿命前に、発振状態の水晶振動子１００が出力停止に至る。しかしながら、実施例１では、図６と対比して分かるように、水晶振動子１００が出力停止に至るタイミングｔ６は、図６における同タイミングｔ３よりも遅く到来する。即ち、実施例１では、異常品の場合であっても、比較例に比べて、水晶振動子１００が出力停止に至るタイミングを遅らせることができている。換言すると、実施例１では、比較例に比べて、時刻ｔ３〜時刻ｔ６の期間だけ、水晶振動子１００の修理・交換タイミングを遅らせることができる。尚、図８に示す例において、時刻ｔ３〜時刻ｔ６の期間中に、水晶振動子１００の修理・交換作業を行う場合には、時刻ｔ６でシステムが突然ダウンしてしまう事態を回避することが可能となる。

尚、上述した実施例１では、アラーム発出回路２５０、利得制御回路２６０、及び基準電圧発生部２７０の機能は、ＩＣ２００により実現されているが、これらの少なくとも一部は、コンピューターにより実現されてもよい。例えば、アラーム発出回路２５０及び利得制御回路２６０の機能は、コンピューターのＣＰＵがプログラムを実行することで実現され、基準電圧発生部２７０の機能は、コンピューターのメモリにより実現されてもよい。

［実施例２］
実施例２による水晶発振器は、実施例１による水晶発振器に対して、水晶振動子１００が水晶振動子１００Ｃで置換される点が異なる。実施例２による水晶振動子１００Ｃは、上述した実施例１による水晶振動子１００に対して、受信アンテナ６９の配置が異なる。水晶振動子１００Ｃのうちの他の構成要素は、上述した実施例１による水晶振動子１００の構成要素と同一であってよく、説明を省略する。

図９は、実施例２による送信アンテナ６０の実装例の説明図であり、水晶片１０の２面図（上側表面及び下側表面を示す平面図）である。

図９に示すように、実施例２では、受信アンテナ６９は、水晶片１０には形成されない。即ち、実施例２では、図９に示すように、水晶片１０には、送信アンテナ６０が上述した実施例１と同様の態様で形成される。

図１０Ａ乃至図１０Ｃは、受信アンテナ６９の幾つかの実装例を概略的に示す断面図である。

受信アンテナ６９は、送信アンテナ６０から送信される電波を受信できる任意の位置に配置されてよい。例えば、受信アンテナ６９は、図１０Ａに示すように、筐体３０の蓋３４に形成される。図１０Ａに示す例では、受信アンテナ６９は、筐体３０の蓋３４の下側表面に形成されているが、蓋３４の上側表面に形成されてもよい。また、受信アンテナ６９は、図１０Ｂに示すように、筐体３０のキャビティの側壁部３５に形成されてもよい。また、受信アンテナ６９は、図１０Ｃに示すように、ＩＣ２００の上側表面に配置されてもよい。或いは、図示しないが、受信アンテナ６９は、筐体３０の下部の内表面に形成されてもよい。尚、図１０Ａ乃至図１０Ｃにおいて、受信アンテナ６９は、送信アンテナ６０から送信される電波を受信できる限り任意のパターンで形成されてよい。

実施例２によっても、実施例１と同様の効果が得られる。

尚、実施例２では、送信アンテナ６０が水晶片１０に形成され、受信アンテナ６９が水晶片１０以外の個所に設けられているが、逆であってもよい。即ち、受信アンテナ６９が水晶片１０に形成され、送信アンテナ６０が水晶振動子１００Ｃにおける水晶片１０以外の個所に設けられてもよい。また、送信アンテナ６０及び受信アンテナ６９の双方が、水晶振動子１００Ｃにおける水晶片１０以外の個所に設けられてもよい。また、送信アンテナ６０及び受信アンテナ６９の一方又は双方は、例えばＩＣ２００と共に、水晶振動子１００Ｃの筐体３０の外部に設けられてもよい。

以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。

なお、以上の実施例に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
筐体と、
前記筐体内に設けられる水晶片と、
前記水晶片に設けられる対の励振電極と、
対の前記励振電極の一方に電気的に接続される送信アンテナと、
前記送信アンテナからの電波を受信する受信アンテナと、
前記受信アンテナで受信される信号の振幅が基準値以下になった場合に、アラームを発生するアラーム発生部とを含む、水晶発振器。
（付記２）
前記基準値は、前記水晶片を含む発振回路が出力停止に至るときの前記振幅よりも大きい、付記１に記載の水晶発振器。
（付記３）
対の前記励振電極間に電気的に接続される反転増幅器と、
前記振幅が前記基準値以下になった場合に、前記反転増幅器の利得を上げる利得制御部とを更に含む、付記１又は２に記載の水晶発振器。
（付記４）
前記反転増幅器は、オペアンプと、第１抵抗と、前記第１抵抗よりも抵抗値が大きい第２抵抗とを含み、
前記利得制御部は、前記オペアンプの反転端子が前記第１抵抗を介して前記オペアンプの出力端子に電気的に接続される第１状態から、前記反転端子が前記第２抵抗を介して前記出力端子に電気的に接続される第２状態に切り替えることで、前記利得を上げる、付記３に記載の水晶発振器。
（付記５）
前記反転増幅器、前記アラーム発生部、及び前記利得制御部は、前記筐体内に設けられる、付記３又は４に記載の水晶発振器。
（付記６）
前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、前記水晶片に形成される、付記１〜５のうちのいずれか１項に記載の水晶発振器。
（付記７）
前記送信アンテナは、前記水晶片に形成され、
前記受信アンテナは、前記筐体に形成される、付記１〜５のうちのいずれか１項に記載の水晶発振器。
（付記８）
前記反転増幅器の出力側に設けられ、入力に対する下限値を有する出力バッファを更に含み、
前記基準値は、前記反転増幅器の出力が前記下限値であるときの、前記振幅よりも大きい、付記３に記載の水晶発振器。
（付記９）
発振状態の水晶振動子の対の前記励振電極の一方に電気的に接続される送信アンテナから送信される電波を、受信アンテナで受信し、
前記受信アンテナで受信される信号の振幅に基づいて、水晶振動子の発振レベルを測定することを含む、水晶振動子の特性測定方法。
（付記１０）
筐体と、
前記筐体内に設けられる水晶片と、
前記水晶片に設けられる対の励振電極と、
前記筐体又は前記水晶片に設けられ、対の前記励振電極の一方に電気的に接続される送信アンテナと、
前記筐体又は前記水晶片に設けられ、前記送信アンテナからの電波を受信する受信アンテナと、を含む水晶振動子。

１０ 水晶片
２０ 励振電極
２１ 上側励振電極
２２ 下側励振電極
３０ 筐体
３１ 土手部
３４ 蓋
３５ 側壁部
４１〜４４ 外部電極
６０ 送信アンテナ
６９ 受信アンテナ
１００、１００Ｃ 水晶振動子
２００ ＩＣ
２０６ 反転増幅器
２０８ 出力バッファ（バッファ回路）
２２０ クロック出力端子
２２２ アラーム出力端子
２５０ アラーム発出回路
２６０ 利得制御回路
２７０ 基準電圧発生部

Claims (6)

1. 筐体と、
   前記筐体内に設けられる水晶片と、
   前記水晶片に設けられる対の励振電極と、
   対の前記励振電極の一方に電気的に接続される送信アンテナと、
   前記送信アンテナからの電波を受信する受信アンテナと、
   前記受信アンテナで受信される信号の振幅が基準値以下になった場合に、アラームを発生するアラーム発生部とを含み、
   前記送信アンテナは前記水晶片に形成され、前記受信アンテナは前記水晶片または前記筐体に形成されている、水晶発振器。
2. 前記基準値は、前記水晶片を含む発振回路が出力停止に至るときの前記振幅よりも大きい、請求項１に記載の水晶発振器。
3. 対の前記励振電極間に電気的に接続される反転増幅器と、
   前記振幅が前記基準値以下になった場合に、前記反転増幅器の利得を上げる利得制御部とを更に含む、請求項１又は２に記載の水晶発振器。
4. 前記反転増幅器は、オペアンプと、第１抵抗と、前記第１抵抗よりも抵抗値が大きい第２抵抗とを含み、
   前記利得制御部は、前記オペアンプの反転端子が前記第１抵抗を介して前記オペアンプの出力端子に電気的に接続される第１状態から、前記反転端子が前記第２抵抗を介して前記出力端子に電気的に接続される第２状態に切り替えることで、前記利得を上げる、請求項３に記載の水晶発振器。
5. 前記反転増幅器、前記アラーム発生部、及び前記利得制御部は、前記筐体内に設けられる、請求項３又は４に記載の水晶発振器。
6. 発振状態の水晶振動子の対の励振電極の一方に電気的に接続される送信アンテナから送信される電波を、受信アンテナで受信し、
   前記受信アンテナで受信される信号の振幅に基づいて、前記水晶振動子の発振レベルを測定し、
   前記振幅が基準値以下になったときに、アラームを発生することを含む、水晶振動子の特性測定方法。

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